1.4 结构化程序设计

1.4.1 程序设计与算法

程序设计就是使用某种计算机语言，按照某种算法，编写程序的活动。一般说来，程序设计包括以下步骤：①问题定义；②算法设计；③算法表示（如流程图设计）；④程序编制；⑤程序调试、测试及资料编制。

一个完整的程序应包括：

1）对数据的描述。在程序中要指定数据的类型和数据的组织形式，即数据结构。

2）对操作的描述。即操作步骤，也就是算法。

做任何事情都有一定的步骤，而算法就是解决某个问题或处理某件事的方法和步骤，在这里所讲的算法是专指用计算机解决某一问题的方法和步骤。算法应具有有穷性、确定性、有零个或多个输入、有一个或多个输出、有效性等5个特征。

为了描述一个算法，可以采用许多不同的方法，常用的有：自然语言、流程图、N-S流程图、伪代码等，这里只简单介绍传统流程图，图形符号见表1-12。

图1-13所示为计算A、B、C三个数中最大数的流程图表示方式。在流程图中，判断框左边的流程线表示判断条件为真时的流程，右边的流程线表示条件为假时的流程，有时就在其左、右流程线的上方分别标注“真”“假”或“True”“False”或“Y”“N”。另外，还规定，流程线是从下往上或从右向左时，必须带箭头，除此以外，都不画箭头，流程线的走向总是从上向下或从左向右。

1.4.2 结构化程序设计的基本要点

结构化程序设计是由迪克斯特拉（E.W.dijkstra）在1969年提出的，是以模块化设计为中心，将待开发的软件系统划分为若干个相互独立的模块，这样使完成每一个模块的工作变得简单而明确，为设计一些较大的软件打下良好的基础。

结构化程序设计的基本要点包括以下两点：

第一点：采用自顶向下、逐步细化的程序设计方法。

在需求分析、概要设计中，都采用了自顶向下、逐层细化的方法。

第二点：使用三种基本控制结构组成程序。

任何程序都可由顺序、选择、循环三种基本控制结构组成，即用顺序方式对过程分解，确定各部分的执行顺序；用选择方式对过程分解，确定某个部分的执行条件；用循环方式对过程分解，确定某个部分进行重复的开始和结束的条件；对处理过程仍然模糊的部分反复使用以上分解方法，最终可将所有细节确定下来。

1.顺序结构

顺序结构表示程序中的各操作是按照它们出现的先后顺序执行的，如图1-14所示，语句的执行顺序为：A→B→C。

2.选择结构

选择结构表示程序的处理步骤出现了分支，它需要根据某一特定的条件选择其中的一个分支执行。其基本形状有两种，如图1-15所示。图1-15a所示的结构的执行序列为，当条件为真时执行A，否则执行B；图1-15b所示的结构的执行序列为，当条件为真时执行A，否则什么也不做。

3.循环结构

循环结构表示程序反复执行某个或某些操作，直到某条件为假（或为真）时才可终止循环。在循环结构中最主要的是：什么情况下执行循环？哪些操作需要循环执行？循环结构的基本形式有两种：当型循环和直到型循环。循环结构是程序中一种很重要的结构。其特点是，在给定条件成立时，反复执行某程序段，直到条件不成立为止。给定的条件称为循环条件，反复执行的程序段称为循环体。

1）当型循环如图1-16a所示。其执行序列为：当条件为真时，反复执行A，一旦条件为假，跳出循环，执行循环后面的语句。

2）直到型循环如图1-16b所示。执行序列为：首先执行A，再判断条件，条件为真时，一直循环执行A，一旦条件为假，结束循环，执行循环后面的语句。

图1-16中，A被称为循环体，条件被称为循环控制条件。要注意的是，在循环体中，必然对条件要判断的值进行修改，使得经过有限次循环后，循环一定能结束；当型循环中，循环体可能一次都不执行，而直到型循环则至少执行一次循环体。

以上三种基本结构的共同特点是：

1）只有单一的入口和单一的出口。

2）结构中的每个部分都有执行到的可能。

3）结构内不存在永不终止的死循环。

因此，结构化程序设计的基本思想是采用“自顶向下，逐步求精”的程序设计方法和“单入口单出口”的控制结构。

1.4.3 选择结构

1.单分支

单分支的语法表达式如下：

其中，如果条件表达式的值为真，则执行其后的语句块（可以是单个语句，当是单个语句时可直接放在条件表达式的冒号（：）后成一行，下同），否则不执行该语句块，其执行逻辑如图1-17所示。

2.二分支形式

采用if-else形式来表达的是二分支形式，其语法表达式如下：

其中，如果表达式的值为真，则执行语句块1，否则执行语句块2，其执行的逻辑过程如图1-18所示。

3.多分支形式

当有多个分支选择时，可采用if-elif-else语句，其语法表达式如图1-19所示。

图1-19中，依次判断条件表达式的值，当出现某个值为真时，则执行其对应的语句块，然后跳到整个if语句之后继续执行程序。如果所有的表达式均为假，则执行语句块n，然后继续执行后续程序。多分支的执行逻辑如图1-20所示。

【例1-23】输入一个整数，与存储值进行比较后输出信息。

运算结果：

4.三目运算符

使用if else实现三目运算（条件运算）的格式如下：

其中，condition是判断条件，exp1和exp2是两个表达式。如果condition成立（结果为真），就执行exp1，并把exp1的结果作为整个表达式的结果；如果condition不成立（结果为假），就执行exp2，并把exp2的结果作为整个表达式的结果。

语句max=a if a>b else b的含义是：

如果a>b成立，就把a作为整个表达式的值，并赋给变量max；

如果a>b不成立，就把b作为整个表达式的值，并赋给变量max。

三目运算符支持嵌套，可以构成更加复杂的表达式。在嵌套时需要注意if和else的配对，例如：

应该理解为：

【例1-24】三目运算。

运算结果：

从本例中可以看到，在写代码的过程中，如果遇到一行代码很长的情况，为了让代码显得整齐干净，就需要把一行代码分成多行来写，最简单的方法就是用反斜杠“\”链接多行代码。

5.if语句的嵌套

当if语句中的语句或语句块又是if语句时，则构成了if语句嵌套的情形，其语法表达如下：

或者为

在嵌套内的“if语句”可能又是if-else型的，这将会出现多个if和多个else重叠的情况，这时要特别注意通过统一缩进来体现的if和else的配对。

【例1-25】判断是否为酒后驾车。

如果规定，车辆驾驶员的血液酒精含量小于20mg/100mL不构成酒驾；酒精含量大于或等于20mg/100mL为酒驾；酒精含量大于或等于80mg/100mL为醉驾。

通过梳理思路，是否构成酒驾的界限值为20mg/100mL；而在已确定为酒驾的范围（大于20mg/100mL）中，是否构成醉驾的界限值为80mg/100mL，整个代码执行流程如图1-21所示。

运算结果：

当然，本例单独使用if elif else也可以实现，这里只是为了让初学者熟悉if分支嵌套的用法而已。

1.4.4 循环结构

1.while循环语句

Python编程中，while语句用于循环执行，即在满足某条件下循环执行某段程序，以处理需要重复处理的相同任务。

while循环语句的语法表达式为：

其中，条件表达式是循环条件，一般是关系表达式或逻辑表达式，除此以外任何非零或非空（Null）的值均为True；语句块（包括单个语句）为循环体。

while语句使用中，无else子句时，其语义解释为：计算条件表达式的值，当值为真（非0或非空）时，执行循环体语句，一旦循环体语句执行完毕，条件表达式中的值将会被重新计算；如果还是为True，循环体将会再次执行，这样一直重复下去，直至条件表达式中的值为False（或为0或为空）为止。

while语句使用中，有else子句时，while语句部分含义同上，else中的语句块2则会在循环正常执行结束的情况下执行，即while不是通过break跳出而中断的（见图1-22）。

【例1-26】对整数进行while循环操作。

运算结果：

2.for循环语句

for循环语句可以遍历任何序列中的项目，如一个列表或者一个字符串等，来控制循环体的执行，其语法格式如下：

for循环语句的执行逻辑如图1-23所示。

这里先介绍通常用于for循环中来控制循环次数的range()函数，其语法是：

该结果是返回一个[start，start+step，start+2×step，...]结构的整数序列。range()函数具有一些特性：

1）如果step参数缺省，默认1；如果start参数缺省，默认0。

2）如果step是正整数，则最后一个元素（start+i×step）小于stop。

3）如果step是负整数，则最后一个元素（start+i×step）大于stop。

4）step参数必须是非零整数，否则报VauleError异常。

需要注意的是，range()函数返回一个左闭右开（[left，right））的序列数。

【例1-27】使用range()函数。

运算结果：

3.循环嵌套

Python语言允许在一个循环体里面嵌入另一个循环。当两个（甚至多个）循环结构相互嵌套时，位于外层的循环结构常简称为外层循环或外循环，位于内层的循环结构常简称为内层循环或内循环。对于循环嵌套结构的代码，Python解释器执行的流程为：

1）当外层循环条件为True时，则执行外层循环结构中的循环体。

2）外层循环体中包含了普通程序和内层循环，当内层循环的循环条件为True时会执行此循环中的循环体，直到内层循环条件为False，跳出内层循环。

3）如果此时外层循环的条件仍为True，则返回第2步，继续执行外层循环体，直到外层循环的循环条件为False。

4）当内层循环的循环条件为False，且外层循环的循环条件也为False时，则整个嵌套循环才算执行完毕。

循环嵌套的执行流程图如图1-24所示，嵌套循环执行的总次数=外层循环执行次数×内层循环执行次数。

Python的循环嵌套基本型有两种。

1）for循环嵌套语法：

2）while循环嵌套语法：

除此之外，还可以在循环体内嵌入其他的循环体，如在while循环中可以嵌入for循环；反之，可以在for循环中嵌入while循环。

【例1-28】循环嵌套应用。

运算结果：

可以看到，此程序中运用了嵌套循环结构，其中外层循环使用的是while语句，而内层循环使用的是for语句。程序执行的流程是：

1）开始i=0，循环条件i<3成立，进入while外层循环执行其外层循环体。

2）从j=0开始，由于j<3成立，因此进入for内层循环执行内层循环体，直到j=3不满足循环条件，跳出for循环体，继续执行while外层循环的循环体。

3）执行i=i+1语句，如果i<3依旧成立，则从第2步继续执行。直到i<3不成立，则此循环嵌套结构才执行完毕。

根据上面的分析，此程序中外层循环将循环3次（从i=0到i=2），而每次执行外层循环时，内层循环都从j=0循环执行到j=2。因此，该嵌套循环结构将执行3×3=9次。

【例1-29】if语句和循环（while、for）结构之间的相互嵌套。

运算结果：

需要指明的是，上面程序演示的仅是两层嵌套结构，其实if、while、for之间完全支持多层（≥3）嵌套。例如：

也就是说，只要场景需要，判断结构和循环结构之间完全可以相互嵌套，甚至可以多层嵌套。

4.break语句

break语句用于在语句块执行过程中终止当前循环，并且跳出当前循环。break语句可以立即终止当前循环的执行，跳出当前所在的循环结构。无论是while循环还是for循环，只要执行break语句，就会直接结束当前正在执行的循环体。

break语句的语法非常简单，只需要在相应while或for语句中直接加入即可，一般会结合if语句进行搭配使用，表示在某种条件下跳出循环体。

【例1-30】while循环中的break语句。

运算结果：

分析本例程序不难看出，当循环至num=3时，程序执行break语句，其会直接终止当前的循环，跳出循环体，并不执行else中的语句。

对于嵌套的循环结构来说，break语句只会终止所在循环体的执行，而不会作用于所有的循环体。

5.continue语句

continue语句用于执行过程中终止当前循环，跳出该次循环，执行下一次循环。和break语句相比，continue语句只会终止执行本次循环中剩下的代码，直接从下一次循环继续执行。

continue语句的用法和break语句一样，只要在while或for语句中的相应位置加入即可。

【例1-31】break语句借用bool类型变量跳出更多循环体。

运算结果：

可以看到，当i从0循环至5时，会进入if判断语句执行print()语句和continue语句。其中，print()语句起到换行的作用，而continue语句会使Python解释器忽略执行代码行“print(i，end="")”，直接从下一次循环开始执行。

6.pass语句

pass是空语句，起到保持程序结构的完整性作用。

【例1-32】pass语句简单应用。

运算结果：

从运行结果可以看出，程序执行到“i=3”时，输入成绩为86时，其指令为“pass”，但是并没有进行什么操作。